2317

к обрабатываемой части потока, не была ниже оптимальной по хлопьеобразованию и выше предела емкости щелочного резерва. Применение концентрированного коагулирования позволяет уменьшить расход СА на

15–20% [36].

Эффективность концентрированного коагулирования во многом определяется полнотой и скоростью перемешивания раствора коагулянта со вспомогательным потоком воды, составляющим от 10 до 40% (рис. 1.5, поз. 2) от общего расхода очищаемой сырой воды. В качестве смесителя используется часть трубопровода, транспортирующего вспомогательный поток, где создаются местные сопротивления для обеспечения достаточной интенсивности перемешивания воды с коагулянтом (рис. 1.5, поз. 4).

Прерывистое (периодическое) коагулирование основано на более полном использовании свойств продуктов гидролиза коагулянта при их избытке. Оно содержит элементы метода концентрированного коагулирования и состоит в чередовании периодов подачи в обрабатываемую воду увеличенных доз коагулянта с периодами полного прекращения коагулирования.

Рис. 1.5 Схема обработки воды по методу концентрированного коагулирования: 1 – подача воды; 2 – отвод части воды на реагентную обработку (вспомогательный поток); 3 – подача коагулянта; 4 – гидравлический смеситель (участок трубопровода); 5 – отвод общего потока; 6 – камера хлопьеобразования; 7 – манометры; 8 – низконапорный насос (вариант)

Применение метода дает возможность значительно сократить потребность в коагулянте, увеличить длительность фильтрационных циклов на фильтрах и контактных осветлителях. Так, при обработке маломутной воды по двухступенчатой схеме за счет совмещения концентрированного коагулирования с периодическим может быть достигнута экономия коагулянта до 30-40%. Рекомендуемая длительность периода «коагулирования» равна 1-3 час, а соотношение длительностей «коагулирования» и «некоагулирования» – от 3:1 до 0,3:1.

Обработка воды с возвратом части отработанного осадка в зону ввода новых порций коагулянта в ряде случаев приводит к значительной (до 30%)

31

экономии коагулянта и ускорению задержания коагулированной взвеси на осветлительныхсооружениях. Наблюдаемыеэффектыявляютсяследствием более полного использования свойств коагулянта, ускоренного формирования хлопьев в контакте с ранее выделенным осадком.

Метод рециркуляции осадка используют главным образом для интенсификации коагулирования маломутных вод, но имеются и примеры, когда с помощью этого метода достигнуто заметное (около 25%) ускорение осветления воды, содержащей до 20 г/л тонкодисперсных примесей.

Наряду с созданием однородных условий перемешивания, рециркуляция обеспечивает качественно новый эффект, поскольку вследствие каталитического влияния ранее образовавшейся твердой фазы облегчаются формирование и рост зародышей коагулированной взвеси.

Преимущества рециркуляции при обработке цветных вод и получаемую экономию коагулянта объясняют обычно более полным использованием сорбционных свойств продуктов гидролиза коагулянтов по отношению к органическим соединениям.

Электрическое поле в большинстве случаев даже при малом напряжении на электродах оказывает интенсифицирующее воздействие на коагуляцию дисперсных примесей воды и продуктов гидролиза коагулянтов [47]. Анализ результатов исследований по изучению действия электрического поля позволяет сделать следующие выводы:

–в поле постоянного тока ускоряются процессы формирования и осаждения скоагулированной взвеси;

–повышается степень очистки воды от органических и неорганических примесей фильтрованием;

–эффективность обработки воды повышается с ростом напряженности электрического поля;

–газы, выделяющиеся на электродах, облегчают условия очистки воды за счет окисления органических примесей.

Для снижения расхода энергии некоторыми исследователями рекомендуются способы обработки воды в электрическом поле последовательно в несколько этапов. Предложенытакже электролизеры и фильтры с загрузкой из электропроводных материалов – активного угля и магнетита.

При изучении возможностей магнитной обработки для активации действия коагулянтов, рядом исследователей были получены следующие результаты:

а) уменьшаются структурно-механическая гидратация и дзета-потен- циал частиц; максимальной степени снижения этих параметров у золя гидроокиси алюминия соответствует напряженность поля 56 А/см;

б) на 30-40% возрастает сорбционная емкость продуктов гидролиза коагулянтов по отношению к гуминовым веществам: для Fe(OH)3 – с 284 до

379 мг/г (после обработки в поле напряженностью 480 А/см), для Al(OH)3 – c 348 до 494 мг/г (после обработки в поле напряженностью 400 А/см);

32

в) увеличивается объемный вес коагулированной взвеси (по пикнометру) с 1,023 до 1,041 г/см3 в случае Fe(OH)3 и с 1,019 до 1,035 г/см3 в

случае Al(OH)3 .

Для интенсификации коагуляционного процесса рекомендован следующим режим:

а) омагничивание воды за 10-60 с до ввода раствора коагулянта; б) скорость воды в рабочем зазоре магнитного генератора равна 1 м/с.

Интенсифицировать коагуляцию можно и путем магнитной обработки растворакоагулянта. Эффектактивациирастворазависитотнапряженности магнитного поля.

Однако, по данным многих авторов, омагничивание скоагулированных взвесей далеко не всегда дает положительные результаты, особенно при обработке маломутных и цветных вод.

Что касается применения ультразвука, то оптимальные частоты его использования лежат в диапазоне от нескольких килогерц до 1 МГц. В некоторых случаях хорошие результаты достигаются при использовании в помощь гидролизующимся коагулянтом низкочастотных (50 Гц) механических колебаний.

Применениеультразвука, также, каки приналожениимагнитногополя, не всегда дает положительные результаты. Очевидно, что при выборе параметров ультразвуковой обработки необходимо иметь в виду диспергирующее воздействие ультразвука на водные примеси.

Экспериментальные исследования, которые были проведены автором показали, что для интенсификации коагуляционной очистки воды Сурского водохранилища наибольший интерес представляют безреагентные методы концентрированного коагулирования и аэрации, сочетающиеся с рациональными приемами перемешивания алюмосодержащих коагулянтов с обрабатываемой водой при определенной интенсивности, что достаточно легко технически осуществимо в условиях работы ВОС г. Пензы.

Выводы:

1. На большинстве водопроводных очистных станций (ВОС) для удаления гетерофазных примесей из поверхностных вод используются минеральные коагулянты на основе железа и алюминия. Коагулянты на основе железа, как правило, удовлетворительно работают только при рН более 8 или менее 6,5, что диктует необходимость дополнительной реагентной обработки воды и удорожанию её себестоимости. Наиболее широко применяемый на ВОС городов и населенных пунктов, расположенных в бассейне р. Волги, сульфат алюминия имеет слабую коагулирующую способность при низких температурах и щелочности воды, что ведет к его перерасходу в зимний период и паводок.

33

2.В качестве альтернативы использованию СА в процессах водоподготовки могут рассматриваться полиоксихлориды алюминия (ПОХА, ОХА

идр.), обеспечивающие более глубокое удаление мутности, цветности и органических загрязнений, однако высокая стоимость данных коагулянтов не позволяет осуществлять их широкое внедрение на водоочистных комплексах в качестве самостоятельных реагентов.

3.Улучшение качества очистки природной воды поверхностных источников Волжского бассейна в условиях низких значений температур, рН и щелочности при сравнительно небольших эксплуатационных затратах может быть достигнуто совместным использованием коагулянтов на основе ПОХА (ОХА) и СА при одновременном применении наиболее экономичных и перспективных безреагентных методов интенсификации процессов коагуляции, кчислукоторыхотносятсяконцентрированноекоагулирование

иаэрация. Данные методы могут быть использованы также в целях сокращениядозСАприегосамостоятельномприменениидляочисткиводы поверхностного источника.

34

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ КОАГУЛЯЦИИ И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ СОКРАЩЕНИЕ РАСХОДОВ АЛЮМОСОДЕРЖАЩИХ КОАГУЛЯНТОВ

2.1. Современная физико-химическая теория коагулирования гетерофазных примесей воды

Коллоидные примеси и взвешенные частицы, находящиеся в природной воде, позволяют рассматривать ее как гетерофазную систему, в которой вода является дисперсионной средой, а масса распределенных в воде коллоидных и грубодисперсных частиц – дисперсной фазой.

Важнейшая особенность гидрофобных золей и суспензий, определяющая всю сумму наблюдаемых поверхностных явлений, состоит в существованиидвойногоэлектрическогослояионовискачкапотенциалана границе раздела фаз. Причинами возникновения двойного электрического слоя являются разница в диэлектрических свойствах материала среды и дисперсной фазы, специфические молекулярные силы, обусловливающие избирательную адсорбцию ионов из раствора, или ионизация поверхностных молекул вещества самой дисперсной фазы.

Распределение ионов вблизи поверхности раздела определяется действием противоположно направленных сил молекулярного притяжения, удерживающих ионы у поверхности, сил электростатического притяжения или отталкивания и диффузионных сил, стремящихся выровнять концентрацию ионов в объеме среды.

Строение двойного электрического слоя показано на рис.2.1.

Ионы, находящиесявизбыткенаповерхности(называемыепотенциалообразующими ионами), компенсируются противоионами. Часть ионов удерживается поверхностью на сравнительно близком расстоянии, порядка нескольких ангстрем, образуя так называемый плотный ионный слой. Остальные ионы образуют внешний диффузный слой, в котором в упорядоченное распределение ионов вмешиваются силы теплового движения.

Теоретическидиффузныйслойионовраспространяетсявнутрьсредына неограниченно большое расстояние. Поэтому употребляемое в коллоидной химии понятие «толщина» двойного слоя носит весьма условный характер. В теории сильных электролитов «толщина» двойного слоя определяется величиной дебаевского радиуса rD, связанной с концентрацией и валентностью ионов электролита следующей зависимостью [8]:

35

где k – константа Больцмана;

Т – абсолютная температура; е – заряд электрона;

n – число ионов в 1 см3 раствора; zi – валентность ионов.

Рис.2.1. Схема строения двойного электрического слоя на твердой поверхности: I – плотный слой; II – диффузный слой; М-N – граница поверхности;

m-n – граница между плотным и диффузным слоями

При температуре 20 С величина дебаевского радиуса в ангстремах равна:

где с – концентрация электролита (в моль/л).

Согласно выражению (2.2), величина rD в зависимости от концентрации электролита может изменяться на несколько порядков – от нескольких ангстрем (концентрированные растворы) до сотен микрометров (разбавленные растворы).

Полный скачок потенциала 0 между твердой частицей и точкой в

глубине раствора называют поверхностным или термодинамическим потенциалом (рис.2.2). В плотном слое, толщина d которого может быть определена как расстояние от центра тяжести зарядов внутренней обкладки поверхности до плоскости, проходящей через центры ближайших к поверхности противоионов (так называемой плоскости наибольшего приближения [89]), падение потенциала имеет линейный характер, а в

36

диффузионном слое из-за существования объемного заряда эта линейность нарушается.

Потенциал плоскости наибольшего приближения 1 является важней-

шей характеристикой двойного слоя, но его величина не может быть измерена экспериментально.

Рис.2.2. Падение потенциала в двойном электрическом слое

Информацию о величине 1 можно получить лишь путем измерения другой, близкой к 1 величины – электрокинетического потенциала . Этот

потенциал, называемый обычно дзета-потенциалом (ДП), определяется как потенциал плоскости скольжения фаз при их относительном перемещении, вызванном внешними силами. Точное положение плоскости скольжения неизвестно [66], но для разбавленного электролита (каковым является природная вода), когда дебаевский радиус очень велик и падение потенциала происходит по пологой кривой (см. рис.2.2), можно считать ДП примерно равным потенциалу плоскости наибольшего приближения 1 .

Величина ДП может быть найдена, например, из результатов микроэлектрофоретических измерений:

где u – средняя скорость электрофоретического переноса частицы; Н – градиент потенциала внешнего электрического поля.

Величина ДП частицы определяет ее способность к коагуляции и во многих случаях является основным критерием полноты протекания процесса. Как видно из рис.2.3, величина ДП зависит от толщины диффузного слоя ионов. Чем сильнее размыт диффузный слой, тем выше ДП, и, наоборот, при предельном сжатии диффузного слоя значение ДП приближается к нулю. В так называемом изоэлектрическом состоянии дзета-потенциал частицы равен нулю.

37

С увеличением адсорбируемости противоионов дзета-потенциал снижается интенсивнее. Без труда проникают к поверхности твердой фазы ионы Н+, имеющие по сравнению с прочими очень малые размеры. Ионы

OH адсорбируются легко благодаря большому дипольному моменту, поэтому рН среды оказывает сильное влияние на величину и знак ДП [96].

Рис.2.3. Влияние концентрации электролита на толщину двойного слоя и величину электрокинетического ( ) потенциала

(концентрация электролита возрастает от кривой 3 к кривой 1)

В природной воде глинистые и кварцевые частицы имеют обычно отрицательный заряд, а гидроокиси алюминия, образующиеся в ходе гидролиза коагулянтов, – положительный.

Снижение рН увеличивает положительный заряд золей, заряженных положительно, и уменьшает отрицательный заряд золей, заряженных отрицательно. Особенно сильно влияние рН среды на гидрозоли Аl(OH)3 и Fe(OH)3, являющиеся амфотерными соединениями.

Частицы тонкодисперных суспензий с единым компактным ядром, например, частицы глин, построены по такому же принципу, как и частицы золей, а изменение их потенциалов подчиняется тем же закономерностям.

Если частицы суспензии – агрегаты, состоящие из нескольких более мелких частиц и не имеющие общего заряда, то их поверхностные свойства определяются частными свойствами каждой мелкой частицы. Причем снижение ДП лишь некоторой доли таких частиц не означает еще потери устойчивости агрегата в целом.

Большинство веществ, обусловливающих мутность и цветность природных вод, являются гидрофобными или слабогидрофильными коллоидами. Гидрофобны или слабогидрофильны и коллоиды, образующиеся при очистке воды в результате гидролиза вводимых в воду коагулянтов.

38

Полнота гидролиза имеет большое значение как для самой коагуляции, так и для качества очищаемой воды, поскольку наличие ионов алюминия в очищенной питьевой воде недопустимо.

Скорость гидролиза можно описать уравнением:

где u – скорость гидролиза; K г – константа гидролиза;

Men – концентрация катионов в растворе коагулянта;

H2O – концентрация воды в растворе.

Из уравнения следует, что скорость гидролиза пропорциональна концентрации катионов коагулянта. Поскольку применяющиеся концентрации растворов коагулянта незначительны, можно считать, что скорость гидролиза коагулянта пропорциональна его концентрации (или его дозе), введенной в воду. Согласно правилу Вант-Гоффа с повышением температуры на каждые 10 градусов скорость гидролиза, как и большинство химических реакций, возрастает в 2-4 раза.

Необходимым условием для более полного протекания гидролиза является удаление из сферы реакций образующихся Аl(OH)3, а также связывание ионов Н+ в малодиссоциированные молекулы.

Более полному гидролизу подвержены коагулянты, образующие гидроксиды с меньшей константой диссоциации (величиной, характеризующей способность электролитов диссоциировать на ионы) или меньшим произведением растворимости.

Как следует из уравнения (2.4), с увеличением степени гидролиза рН раствора должно уменьшаться. Любое повышенное рН раствора обеспечивает полный гидролиз введенного в воду коагулянта. Для быстрого и полного гидролиза коагулянтов необходим некоторый щелочной резерв

воды, т.е. наличие в ней определенного количества ионов HCO3 , OH , которые связывают ионы водорода, выделяющиеся при гидролизе:

Благодаря наличию в воде буферной системы HCO3 H2CO3 с рН,

близким к 7, рН воды при гидролизе коагулянтов в большинстве случаев изменяется незначительно (уменьшается).

39

Гидролиз солей алюминия, используемых в качестве коагулянтов, протекает в несколько стадий:

Степень гидролиза повышается с разбавлением раствора, повышением его температуры и рН [96].

Гидролиз алюминия является типичным амфотерным соединением, т.е. обладает как кислотными, так и основными свойствами:

Константа равновесия для первого уравнения

( Al(OH)3 содержится в твердой фазе и концентрация его в растворе

постоянна), откуда [Al3 ] k [H ]3 .

Для второго уравнения константа равновесия

где k w – ионное произведение воды (величина постоянная, зависящая только от температуры).

40